Circuito LED

En electrónica, una Circuito LED o Conductor LED es un circuito eléctrico utilizado para alimentar un diodo emisor de luz (LED). El circuito debe proporcionar suficiente corriente para encender el LED en el brillo requerido, pero debe limitar la corriente para evitar dañar el LED. La caída de tensión a través de un LED encendido es aproximadamente constante sobre una amplia gama de corriente de funcionamiento; por lo tanto, un pequeño aumento de tensión aplicada aumenta enormemente la corriente. Las hojas de datos pueden especificar esta gota como una "tensión exterior" (${\displaystyle V_{f}$) en una corriente operativa particular. Los circuitos muy simples se utilizan para LEDs indicador de baja potencia. Se requieren circuitos de fuente más complejos y actuales cuando se conducen LEDs de alta potencia para la iluminación para lograr la regulación actual correcta.

El circuito más simple para controlar un LED es mediante una resistencia en serie. Se utiliza comúnmente para indicadores y pantallas digitales en muchos electrodomésticos. Sin embargo, este circuito no es eficiente energéticamente, porque la energía se disipa en la resistencia en forma de calor.

El LED ${\displaystyle V_{f}$ depende de su material. La ley de Ohm y las leyes del circuito de Kirchhoff se utilizan para calcular el valor resistor adecuado, restando el LED ${\displaystyle V_{f}$ desde el voltaje de suministro y dividiendo por la corriente de operación deseada. Con un voltaje de suministro suficientemente alto, varios LEDs de serie pueden ser alimentados con una resistencia.

Si el voltaje de suministro es cercano o igual al LED ${\displaystyle V_{f}$, entonces no se puede calcular ningún valor razonable para el resistor, por lo que se utiliza otro método de limitación actual.

Las características de voltaje versus corriente de un LED son similares a las de cualquier diodo. La corriente es aproximadamente una función exponencial del voltaje según la ecuación del diodo Shockley, y un pequeño cambio de voltaje puede resultar en un gran cambio en la corriente. Si el voltaje es menor o igual al umbral, no fluye corriente y el resultado es un LED apagado. Si el voltaje es demasiado alto, la corriente superará el valor nominal máximo, sobrecalentando y potencialmente destruyendo el LED.

Los controladores LED están diseñados para manejar cargas fluctuantes, proporcionando suficiente corriente para lograr el brillo requerido sin permitir que fluyan niveles dañinos de corriente. Los controladores pueden ser de corriente constante (CC) o de voltaje constante (CV). En los controladores CC, el voltaje cambia mientras que la corriente permanece igual. Los controladores CC se utilizan cuando la carga eléctrica del circuito LED es desconocida o fluctúa, por ejemplo, un circuito de iluminación donde se puede instalar una cantidad variable de luminarias LED.

A medida que un LED se calienta, su caída de voltaje disminuye (disminución de la brecha de banda). Esto puede hacer que la corriente aumente.

Una fuente de corriente constante activa se utiliza comúnmente para LED de alta potencia, estabilizando la salida de luz en un amplio rango de voltajes de entrada, lo que podría aumentar la vida útil de las baterías. La corriente constante activa se regula típicamente utilizando un MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) en modo de agotamiento, que es el limitador de corriente más simple. Los reguladores de corriente constante de baja caída (LDO) también permiten que el voltaje total del LED sea una fracción más alta del voltaje de la fuente de alimentación.

Las fuentes de alimentación conmutadas (por ejemplo, convertidores reductores, elevadores y reductores-elevadores) se utilizan en linternas LED y lámparas LED domésticas. Los MOSFET de potencia se utilizan normalmente para conmutar controladores LED, lo que constituye una solución eficiente para controlar LED de alto brillo. Los chips de circuitos integrados (CI) de potencia se utilizan ampliamente para controlar los MOSFET directamente, sin necesidad de circuitos adicionales.

Las resistencias en serie son una forma sencilla de estabilizar la corriente del LED, pero se desperdicia energía en la resistencia.

Los LED indicadores en miniatura normalmente se alimentan con CC de bajo voltaje a través de una resistencia limitadora de corriente. Las corrientes de 2 mA, 10 mA y 20 mA son comunes. Los indicadores sub-mA se pueden fabricar alimentando LED ultrabrillantes con una corriente muy baja. La eficiencia tiende a reducirse con corrientes bajas, pero los indicadores que funcionan con 100 μA siguen siendo prácticos.

En las luces LED tipo llavero que funcionan con pilas de botón, la resistencia de la propia pila suele ser el único dispositivo limitador de corriente.

Existen LED con resistencias en serie incorporadas. Estas pueden ahorrar espacio en la placa de circuito impreso y son especialmente útiles cuando se construyen prototipos o se llena una PCB de una manera distinta a la prevista por sus diseñadores. Sin embargo, el valor de la resistencia se establece en el momento de la fabricación, lo que elimina uno de los métodos clave para establecer la intensidad del LED.

El valor de la resistencia de la serie puede obtenerse de la ley de Ohm, teniendo en cuenta que el voltaje de suministro está compensado por el diodo ${\displaystyle V_{f}$, que varía poco sobre la gama de corrientes útiles:

${\displaystyle R={V_{power}-V_{f}-V_{switch} {}}$ o ${\displaystyle I_{led}={V_ power}-V_{f}-V_{switch} #$

donde:

${\displaystyle R.$ es la resistencia en ohms, normalmente redondeado hasta el siguiente valor resistor más alto.

${\displaystyle V_{power}$ es el voltaje de alimentación en voltios, por ejemplo. Batería de 9 voltios.

${\displaystyle V_{f}$ es la gota de tensión delantera del LED en voltios cuando se ilumina. ${\displaystyle V_{f}$ y la frecuencia de luz del LED (que percibimos como color) aumentan con la brecha de banda de los materiales del LED. En consecuencia, ${\displaystyle V_{f}$ rangos de alrededor de 1.7 a 2.0 voltios para LEDs rojos a alrededor de 2,8 a 4,0 voltios para LEDs violetas.

${\displaystyle V_{switch}$ es la caída del voltaje a través del interruptor en voltios: (A) para ningún interruptor, use 0 voltios, (B) para interruptor mecánico, use 0 voltios, (C) para transistor BJT, use ${\displaystyle V_{CE(sat)}$ voltaje de saturación de coleccionista emister de la hoja de datos transistor.

${\displaystyle I_{led}}$ es la corriente deseada del LED en los amplificadores. La corriente continua máxima se muestra en hojas de datos LED, por ejemplo 20 mA (0.020A) es común para la mayoría de los LEDs pequeños. Muchos circuitos operan LEDs a menos de la corriente máxima especificada para ahorrar energía, o para reducir el brillo, o para utilizar un valor resistor común. Para uso interior, los LEDs de alta eficiencia de montaje de superficie pequeña pueden iluminarse fácilmente con 1 mA (0.001A) o más corriente, que la mayoría de las salidas lógicas digitales pueden generar o hundir fácilmente.

Usando la fórmula algebraica (arriba) y suponiendo ${\displaystyle V_{switch}$ es 0 (para simplificar ejemplos), la resistencia se calcula de la siguiente manera:

Ejemplo1 con ${\displaystyle V_{power}$ de 9V, ${\displaystyle V_{f}$ = 1.8V, ${\displaystyle I_{led}}$ = 5mA:

${\displaystyle R.$ = (9V - 1.8V) / 5mA = (9 - 1.8) / 0.005 = 1440 ohmios, luego redondea hasta un resistor de 1,5K ohm (por valores comunes de resistencia).

Ejemplo2 con ${\displaystyle V_{power}$ de 5V, ${\displaystyle V_{f}$ = 1.8V, ${\displaystyle R.$ = 1K ohm:

${\displaystyle I_{led}}$ = (5V - 1.8V) / 1K ohm = (5 - 1.8) / 1000 = 0,0032, que es 3.2m A

Las cadenas de varios LED normalmente se conectan en serie. En una configuración, el voltaje de la fuente debe ser mayor o igual que la suma de los voltajes de los LED individuales; normalmente, los voltajes de los LED suman alrededor de dos tercios del voltaje de suministro. Se puede utilizar una única resistencia limitadora de corriente para cada cadena.

La operación paralela también es posible, pero puede ser más problemática. Los LED paralelos deben haber partido de cerca ${\displaystyle V_{f}$ para tener corrientes de rama similares y, por lo tanto, salida de luz similar. Las variaciones en el proceso de fabricación pueden dificultar la obtención de una operación satisfactoria al conectar algunos tipos de LEDs en paralelo.

Los LED suelen estar dispuestos de tal manera que cada LED (o cada cadena de LED) se puede encender y apagar individualmente.

El accionamiento directo es el método más sencillo de entender: utiliza muchos circuitos independientes de un solo LED (o de una sola cadena). Por ejemplo, una persona podría diseñar un reloj digital de modo que cuando el reloj muestre "12:34" en una pantalla de siete segmentos, el reloj encienda los segmentos apropiados directamente y los deje encendidos hasta que sea necesario mostrar algo más.

Sin embargo, las técnicas de visualización multiplexada se utilizan con más frecuencia que las de accionamiento directo, porque tienen menores costos netos de hardware. Por ejemplo, la mayoría de las personas que diseñan relojes digitales los diseñan de tal manera que cuando el reloj muestra "12:34" en una pantalla de siete segmentos, en cualquier instante el reloj enciende los segmentos apropiados de uno de los dígitos, mientras que todos los demás dígitos están oscuros. El reloj recorre los dígitos con la suficiente rapidez como para dar la ilusión de que está mostrando "constantemente" "12:34" durante un minuto entero. Sin embargo, cada segmento "encendido" en realidad se enciende y apaga rápidamente muchas veces por segundo.

Una extensión de esta técnica es Charlieplexing, en la que la capacidad de algunos microcontroladores de conectar en tres estados sus pines de salida significa que se pueden controlar una mayor cantidad de LED sin utilizar pestillos. Para N pines, es posible controlar n²-n LED.

El uso de la tecnología de circuitos integrados para controlar los LED se remonta a finales de la década de 1960. En 1969, Hewlett-Packard presentó el indicador numérico HP modelo 5082-7000, una de las primeras pantallas LED y el primer dispositivo LED que utilizaba tecnología de circuitos integrados. Su desarrollo estuvo a cargo de Howard C. Borden y Gerald P. Pighini en HP Associates y HP Labs, quienes se habían dedicado a la investigación y el desarrollo (I+D) de LED prácticos entre 1962 y 1968. Fue la primera pantalla LED inteligente, lo que supuso una revolución en la tecnología de pantallas digitales, ya que sustituyó al tubo Nixie y se convirtió en la base de las pantallas LED posteriores.

A diferencia de las bombillas incandescentes, que se iluminan independientemente de la polaridad eléctrica, los LED solo se encienden con la polaridad eléctrica correcta. Cuando el voltaje a través de la unión p-n está en la dirección correcta, fluye una corriente significativa y se dice que el dispositivo está polarizado directamente. Si el voltaje tiene la polaridad incorrecta, se dice que el dispositivo está polarizado inversamente, fluye muy poca corriente y no se emite luz. Los LED pueden funcionar con corriente alterna, pero solo se encenderán en la mitad del ciclo de CA en el que el LED está polarizado directamente. Esto hace que el LED se encienda y apague a la frecuencia de la fuente de alimentación de CA.

La mayoría de los LED tienen valores nominales de voltaje de ruptura inversa relativamente bajos en comparación con los diodos estándar, por lo que puede ser más fácil de lo esperado entrar en este modo y causar daños al LED debido a una sobrecorriente. Sin embargo, el voltaje de conexión siempre es menor que el voltaje de ruptura, por lo que no se necesitan protecciones inversas especiales cuando se alimenta un LED directamente desde una fuente de CA cuando la corriente está correctamente limitada para el funcionamiento con polarización directa.

El fabricante normalmente indicará cómo determinar la polaridad del LED en la hoja de datos del producto. Sin embargo, no existe una estandarización de las marcas de polaridad para los dispositivos de montaje en superficie.

Muchos sistemas encienden y apagan los LED mediante pulsos, aplicando energía de manera periódica o intermitente. Mientras la tasa de parpadeo sea mayor que el umbral de fusión de parpadeo humano y el LED esté estacionario en relación con el ojo, el LED parecerá estar encendido de forma continua. La variación de la relación de encendido/apagado de los pulsos se conoce como modulación por ancho de pulso (PWM). En algunos casos, los controladores basados en PWM son más eficientes que los controladores de corriente constante o voltaje constante.

La mayoría de las hojas de datos de los LED especifican una corriente CC máxima que es segura para el funcionamiento continuo. A menudo, especifican una corriente pulsada máxima más alta que es segura para pulsos breves, siempre que el controlador del LED mantenga el pulso lo suficientemente corto y luego apague el LED el tiempo suficiente para que el LED se enfríe.

Además de la emisión, un LED puede utilizarse como fotodiodo en la detección de luz. Esta capacidad puede utilizarse en una variedad de aplicaciones, incluidas la detección de luz ambiental y las comunicaciones bidireccionales.

Como fotodiodo, un LED es sensible a longitudes de onda iguales o más cortas que la longitud de onda predominante que emite. Por ejemplo, un LED verde es sensible a la luz azul y a cierta luz verde, pero no a la luz amarilla o roja.

Esta implementación de LED se puede agregar a los diseños con solo modificaciones menores en los circuitos. Un LED se puede multiplexar en un circuito de este tipo, de modo que se pueda utilizar tanto para la emisión de luz como para la detección en diferentes momentos.

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